發射器件及組件實現功率能量的放大，具有高功率、高熱耗的特點，它可通過多個功率器件并聯放大、也可單個器件放大再進行空間合成，自由度高。具有更高的單元輸出功率，更輕的體積、重量以及更寬的工作帶寬，這是整機系統對發射器件及組件的一直不變的需求。

發射器件主要分為半導體固態器件和電真空器件兩種形式。電真空器件作為功率放大器，在軍事裝備的發展歷史上扮演了非常重要角色，直到現在仍是是雷達、通信、電子戰等系統的核心元器件。GaAs晶體管問世之前，真空管是功率放大和發射的唯一解決方案。后來，晶體管半導體固態器件開始在低頻段替代真空管，伴隨著頻率的增高，兩者互有競爭，互相補充，在高頻率段，一直是電真空器件的領地。電真空器件是實現大功率毫米波的必經之路。行波管作為真空功率器件的代表，圖1是行波管工作原理圖。行波管相對于固態器件有兩大優勢。一是工作在真空環境，這意味著電子運動過程中，不與半導體晶格發生碰撞并產生熱量。二是行波管可以使用“多級降壓收集極”部件，獲取互作用后電子的剩余能量，將其回收，進一步提升放大器總效率。高效率是太空應用電真空功率器件的主要原因。

圖1、行波管工作原理圖

在過去一段時間，有源相控陣的應用曾經推動了固態功率器件的大幅投資。本世紀初，美國三軍特設委員會探討了功率器件的歷史、現狀和發展，提出真空器件和固態器件之間的平衡投資戰略。2015年美國國防高級計劃研究局DARPA分別啟動了INVEST和HAVOC計劃，支持真空功率器件的發展和不斷增長的軍事系統需要，特別是毫米波及THz電真空器件。

本文討論電真空功率器件，主要是微波功率行波管和模塊，在電子戰應用中的發展趨勢。

1、電真空器件與固態器件的應用情況比較

真空器件和固態器件各有特點：固態器件低電壓、大電流，體積小，半導體工藝生產的一致性好，更適合密集有源陣列應用，但需要克服高頻段單件功率小、效率低、溫漂大和系統功耗大等問題。真空器件高電壓、低電流，單個器件功率大、效率高、耐高溫，系統成本低，但工藝生產一致性不如固態器件，而且存在單件體積大等需要克服的問題。圖3是行波管放大器與固態功率放大器應用情況的比較。

圖2、行波管放大器與固態功率放大器的應用對比

國內外結合這兩種器件特點，發展了不同的功率放大器。

MPM（Microwave Power Moudle）的出現為電真空功率器件特別是行波管的應用插上了翅膀。目前兩類器件間的競爭已經主要轉化為純固態器件與MPM之間的競爭。其后續電真空發展方向主要是MPM的研究。

MPM解決了電真空器件的“難使用”問題，并且相對固態器件，MPM在高頻段具有高效率、高功率、小體積、高性價比特點；在無人機等小型平臺，利用MPM非常便捷的特點，實現雷達、干擾、通信一體化的發射機。目前用基本相同的發射機，分別驗證了雷達發射機和電子戰干擾機的性能，得到良好效果；后續工作需要控制資源進行整合，實現一體化的發射機，同時研制生產一系列的MPM，頻率覆蓋2～40G，以及V、W波段、太赫茲的MMPM和TPM。大力推廣其產品應用，使其應用到無人機、誘餌、彈載、單兵作戰系統。

2、電真空器件的特點、面臨問題及發展趨勢

經過60多年的發展，現階段電真空器件已取得長足進步，具有以下優勢和特點：（1）高頻率、寬帶、高效率在軍事應用上的優勢突出。單體功率大、效率高有效減小了系統的體積、重量、功耗和熱耗，在星載、彈載、機載等平臺上適應性更強。（2）耐高溫特性。在高、低溫條件下其功率波動和相位波動非常微小，對系統的環境控制大大降低。（3）抗強電磁干擾和攻擊。（4）壽命大幅提高。大功率行波管使用壽命普遍大于5000小時，中小功率產品壽命大于10000小時，空間應用器件壽命達到15年，支撐武器的全壽命周期。圖3為現有電真空產品的平均首次故障時間(MTTF)統計，可以看出電子戰系統的MTTF時間從1970年的1千小時提升至3萬小時，空間行波管的MTTF達到數百萬小時量級，表現出極高的可靠性。

圖3、目前真空功率器件的的MTTF

但是，也必須看到電真空器件面臨的問題，主要有以下幾點：（1）電真空器件在小功率、低頻段不具有優勢。（2）電真空器件的使用性問題：因為電真空器件需要高電壓，相對固態器件對高壓電源（EPC）要求較高，原來往往先有了管子，再花時間研制高可靠EPC，耽誤進度和可靠性。隨著國內外大力發展MPM，解決了其使用性問題。（3）電真空器件的可靠性問題：隨著工藝改進和自動化設備完善，其可靠性大大提高。但目前很多細節需要進一步完善，以及行波管的抗駐波問題。（4）電真空器件加電維護問題：由于原來電真空的工藝，要求電真空器件每3個月、6個月加電維護一次，給用戶帶來一定困擾。隨著工藝進步，要求電真空器件每2~5年老練一次，這樣可以與系統的烤機和檢查匹配起來。（5）與固態器件比較的意識問題：因為電真空器件發展較早，大約60、70年代就開始裝備部隊；而固態器件80年代才開始普遍應用。固態器件在低頻段（尤其是4GHz以下）有明顯優勢，在更高頻段可以說各有優缺點，在毫米波以上幾乎只有電真空器件，整機系統方案設計時應選擇最優的器件。

電真空器件發展趨勢主要有二個方向。一是向小型化、模塊化發展：低電壓化，向著MPM發展。二是向高功率微波武器和醫療等單元大功率發展。

3、電真空器件的未來主要研究內容

未來電真空器件的優先領域和主要內容，可以分述如下。其中近期的研究內容有：

（1）電真空器件的低電壓化：就如固態器件電壓升高，解決低壓大電流問題；電真空器件將低電壓，有利于電源小型化和減少打火能力（提高系統可靠性）。

（2）光纖型MPM：體現了未來系統對發射機的綜合智能化、靈活性的需求。將發射單元的接口除大功率微波輸出等其余信號都通過光纖接口進行傳輸，包括與上位機的遙控、遙測通信以及射頻輸入接口。這樣，首先解決了系統電纜較重的問題，其次還具有系統的電磁兼容性好以及靈活的接口關系和擴展功能的特點；

（3）模塊化高速調制MPM：進一步小型化MPM，外形采用類似ASAAC的插拔式標準型結構設計，輸出功率既可以通道合成也可以空間合成，易于采用機架的結構形式，解決MPM容易安裝、維修問題；提高調制頻率，解決收發問題，利于提高接收機靈敏度。

（4）長儲存周期性MPM：由于MPM包含有TWT，原來的TWT老練周期短，針對彈載環境需要長存儲周期使用，需要長儲存周期性的MPM（周期17年，可結合定期檢查進行老練存儲）。

（5）寬帶MPM：比如4~18GHz功率50W~100W的MPM，2.7~12GHz功率200W的MPM，18~40GHz功率50W~100W的MPM。這樣，可大大減少發射機覆蓋數量，同時針對性覆蓋重點頻率。

（6）航天應用的TWTA（行波管放大器）或MPM：隨著二代導航、商業衛星發展，后續太空競爭將會促使航天應用的TWTA（行波管放大器）或MPM很大發展。

將來進一步的研究內容主要可以包括以下兩點。

（1） 雙模型MPM：目前目標實現兩個體制干擾方式；采用同一臺MPM實現兩種工作模式：模式一，低占空比、高峰值功率輸出，對付老式雷達；模式二，高占空比（可達到連續波）、相對低的功率輸出，對付新式雷達。優點：解決MPM峰值高功率和大占比應用的矛盾問題。通過此技術的進一步衍生：在無人機等小型平臺，實現雷達、干擾、通信一體化的發射機。

（2）T/R型MPM：解決電子戰的天線共孔徑問題，因為寬帶大功率的環形器損耗、體積很大；通過EPC對TWT控制，實現TWT同一輸出端子實現T/R功能，將大大解決系統帶寬、小型化和可靠性問題。

（3） 功率精準控制型雙管MPM：基礎單元為雙管集成，利用TWT的隨溫度其輸出功率、增益、相位變化很小的特點，通過精密控制和快速引導，實時實現對發射功率的靈活、精準控制，實現多種干擾體制。

4、MPM典型特點及應用分析

（1）單體使用

針對未來戰爭的分布式“蜂群”作戰需求，無人機、誘餌、彈載、單兵作戰系統，要求干擾發射機具有高性價比；能實現大功率收發一體化；以及探測和干擾一體化。這也需要電真空器件小型化、綜合化、靈巧化、實用化，即MPM將是其首選的功率器件。

（2）雙模MPM

針對在無人機等小型平臺，實現雷達、干擾、通信一體化的發射機，可使用雙模型MPM發射機：高模狀態下，4%工作比2KW輸出功率（或10%工作比1KW輸出功率）的SAR雷達發射機，可以取得比較好地成像效果；同時在低模狀態下，即準連續波狀態占空比、150W輸出功率準連續波模式，此模式適合電子戰使用后續需要控制資源進行整合，實現一體化的發射機。如圖4所示。

圖4、T/R雙模MPM的應用框圖

同時在圖4應用中，如果mini-TWT能實現雙向傳輸（即發射端也能接收），就可以去掉環形器，這不僅大大縮小了體積，同時由于高功率環形器存在1dB以上的插損，可大大提高發射性能。

國外有報道指出，雷達的占空比有不斷提高趨勢，現在占空比可超過30%。那么，就存在這樣想法：邊發邊收的工作模式，即T/R分開的模式，其好處是不浪費發射時間的接收性能，但這也引入了發射期間對接收通道的串擾問題。可以將發射通道信號引入到處理單元，進行相干處理，這樣可獲得很好的隔離度，不影響收發同時進行，如圖5所示。

圖5、脈沖/連續波雙模MPM的應用框圖

（3）利用行波管的溫度特性，實現精準控制和多干擾體制

隨溫度變化，行波管的輸出功率、增益、相位變化很小。比如-55℃~125℃，其輸出功率、增益變化不到1dB，輸出相位變化不到5º。利用這個特性，通過精密控制和快速引導，實時實現對發射功率的靈活、精準控制，實現多種干擾體制。

（4）利用行波管的高效率和耐高溫特性，使其應用在較差環境

行波管在高頻段(4GHz以上頻率)寬帶情況下具有高效率，一般效率可達35%以上；同時其在125℃，甚至到150℃，其主要特性基本不變。因此，其適合應用在環控條件比較差的環境。這樣可以使行波管或MPM在無環控的裝機部位以及嚴酷的彈載環境。

以色列空軍現在已將拋射型誘餌改為拖曳式誘餌。MPM具有高效率、耐高溫、耐高壓的特性，使其成為拖曳式誘餌的功率發射器件的設計首選。

5、結論

更高的輸出功率密度，更寬的工作帶寬，以及更小的體積、重量，這是整機系統對發射器件及組件的一直不變的需求。電真空器件與固態器件各有特點，應根據具體應用場合和具體發射頻率，做最優選用。電真空器件雖然面臨一些問題，但是電真空器件的優勢也很明顯，真空器件是實現毫米波、太赫茲功率的必經之路。本文陳述了電真空器件未來發展趨勢和具體研究內容，并分析了其典型應用：單體使用，雙模MPM應用，實時精準控制的應用，拖曳誘餌的應用等。顯然，真空器件需求仍然強盛，應用范圍將繼續拓展。

充分了解器件特性，才能使裝備得到最好的性價比，得到更好地發展。一方面，加強整機單位和器件單位的交流和溝通，可以促進器件的改進和優化，最佳匹配-整機需求；整機單位熟悉器件的特點和特性，不僅設計時可揚長避短，而且能充分拓展其應用。另一方面，不同研究領域的單位充分溝通了解，容易創造靈感，產生交叉技術和新的產品。

本文作者為中國電子科技集團公司第二十九研究所王斌研究員、周旭研究員等。